elektrische structuur van de halfgeleider

Hoofdstuk 7
Elektrische structuur van de
halfgeleider
7.1. Elektrische structuur bij de intrinsieke
halfgeleider
Halfgeleiders
 Stoffen indelen volgens resistiviteit
 Geleiders
 10-8 m <  < 10-5 m
 beschikken steeds over vrije elektronen
 als T , dan geleiding 
 Isolatoren
 104 m <  < 1018 m
 bezitten geen vrije elektronen
 geen geleiding mogelijk
Halfgeleiders
 Halfgeleiders
 10-5 m <  < 104 m
 bij lage T: isolator
 bij hoge T: geleider
 Elementen uit groep IV
 4 valentie-elektronen
 Bereiken de octetstructuur dmv 4 covalente binding
met telkens één ongepaard e- van 4 naburige
atomen
 4 sp-hybridisatie
Intrinsieke of zuivere halfgeleider
 Halfgeleider die uitsluitend atomen bevat van één
bepaalde soort.
 Bv. zuiver Ge of zuiver Si
 Bij lage temperatuur
 alle valentie-elektronen
zitten in een covalente
binding: octetstructuur
 gedraagt zich als isolator
Intrinsieke of zuivere halfgeleider
 Bij kamertemperatuur





Door thermische beweging
kunnen val-e- loskomen
 vrij eAls T , dan  # vrije e-,
dan  geleiding
Ge: 1013/cm³
Cu: 1023/cm³
gevolg: + roosterion met
lege plaats
= positief gat of holte
er ontstaan steeds holteelektron-paren
Intrinsieke of zuivere halfgeleider
 Vervolg bij kamertemperatuur



val.e- rond atoom komt los
 positieve holte en vrij eval.e- uit naburig atoom kan
loskomen en gat opvullen
= recombinatie
Door thermisch beweging
bezit een halfgeleider
evenveel vrije e- als
positieve gaten
Hoofdstuk 7
Elektrische structuur van de
halfgeleider
7.2. De intrinsieke halfgeleiding
Intrinsieke of zuivere halfgeleider
 Bij kamertemperatuur



val.e- rond atoom 1 komt los
 vrij e- en positieve holte
 e- beweegt naar +pool
val.e- uit naburig atoom 2
kan loskomen en gat 1
opvullen
 gat 1 verdwijnt, gat 2
ontstaat
val.e- uit naburig atoom 3
kan loskomen en gat 2
opvullen
 gat 2 verdwijnt, gat 3
ontstaat
Intrinsieke of zuivere halfgeleiding
 Mechanisme van de stroomdoorgang bij intrinsieke
halfgeleiders


Intrinsieke ladingsdragers:
vrije e- en positieve holten
Zowel de vrije e- als de
positieve gaten bewegen:
de halfgeleiding bestaat uit
een verplaatsing van vrije ein de ene zin en een
verplaatsing van positieve
holten in de andere zin
Hoofdstuk 7
Elektrische structuur van de
halfgeleider
7.3. De extrinsieke halfgeleider
Extrinsieke halfgeleider
 vreemde atomen toevoegen
= onzuiverheden
 zo bekomt men gedoteerde halfgeleiders
 dotering zodanig dat oorspronkelijk kristalrooster niet
verstoord wordt.
 twee soorten gedoteerde halfgeleiders:
 N-type halfgeleider
 P-type halfgeleider
N-type halfgeleider
 5-waardige onzuiverheid
(groep Va) wordt in het
kristalrooster ingebracht
vb. P, As, Sb
 As vormt 4 covalente
bindingen en er is 1 e- over
 Dit e- is al bij kamerT vrij
 As levert vrij eAs = donoratoom/donorion
N-type halfgeleider

Opgelet!




vrij e- van As doet geen gat ontstaan
As wordt een + vast roosterion, maar er onstaat
geen gat in de covalente binding
gaten zijn afkomstig van intrinsieke halfgeleiding
# gaten << # vrije e geleiding in 1e plaats door de vrije e-:
negatieve donorelektronen
= N-type halfgeleiding
P-type halfgeleider
 3-waardige onzuiverheid
(groep IIIa) wordt in het
kristalrooster ingebracht
vb. In, B, Al
 In vormt 3 covalente
bindingen en er is 1 plaats
over
 Bij kamerT heeft In al een
vrij e- ingevangen
 In kan e- opnemen of
accepteren
In = acceptoratoom
/acceptorion
P-type halfgeleider

Opgelet!




positief gat bij In doet geen vrij e- ontstaan
In wordt een - vast roosterion, maar er ontstaat
geen vrij evrije e- zijn afkomstig van intrinsieke halfgeleiding
# vrije e- << # gaten
 geleiding in 1e plaats door de gaten:
positieve gaten
= P-type halfgeleiding
Hoofdstuk 7
Elektrische structuur van de
halfgeleider
7.4. De extrinsieke halfgeleiding
N-type halfgeleider
 Mechanisme van de stroomdoorgang bij een
gedoteerde halfgeleider
 N-type halfgeleider



Vooral de vrije e- zorgen
voor ladingstransport
Als rechts e- toekomt, moet
links een verdwijnen
Vrije e- verplaatsen zich in
het kristal van rechts naar
links
P-type halfgeleider
 Mechanisme van de stroomdoorgang bij een
gedoteerde halfgeleider
 P-type halfgeleider




Vooral de postieve holten
zorgen voor ladingstransport
Als rechts e- toekomt, moet
links ook e- verdwijnen
Als rechts e- toekomt,
verdwijnt er daar een holte,
en als links e- verdwijnt,
ontstaat er daar een holte
Holtes e- verplaatsen zich in
het kristal van links naar
rechts
Hoofdstuk 7
Elektrische structuur van de
halfgeleider
7.5. Enkele toepassingen
LDR,light dependent resistor



Als licht (IR) invalt op LDR, dan  R,
Als licht (IR) onderbroken wordt, dan  R
Toepassingen: veiligheid automatische liftdeur,
licht aanschakelen in
Werking:




laagje halfgeleidend cadmium- of loodsulfide.
Energie van het licht maakt deel van val.e- vrij en er
ontstaan evenveel pos. holten
Daarop twee heel dunne elektroden
De vrije e- zorgen voor stroom tussen de twee
elektroden.
De rookdetector


Binnenin een rookdetector, is er licht (A) en een
sensor (B), maar ze staan loodrecht op elkaar.
Normaal gaat het licht ononderbroken van links
naar rechts en valt het dus niet in op de sensor.
De rookdetector

Wanneer er rook in de kamer hangt, komt er ook
rook in de rookdetector, en wordt het licht (A)
verstrooid door die rookdeeltjes en valt een
gedeelte van het licht wel in op de sensor (B). De
sensor zet dan het alarm in werking.
Hoofdstuk 7
Elektrische structuur van de
halfgeleider
7.6. De halfgeleiderdiode
Beschrijving
 p-type en n-type halfgeleider met elkaar in contact brengen
 p-type: vrije ladingen zijn positieve gaten. Ze bewegen rond
de negatieve vaste roosterionen
 n-type: vrije ladingen zijn negatieve elektronen. Ze
bewegen rond de positieve vaste roosterionen
 contactoppervlak tussen
beide: p-n-junctie
 geheel: (junctie)diode
Beschrijving
 Anode verbindt de p-type halfgeleider met de rest
van de stroomkring
 Kathode verbindt de n-type halfgeleider met de
rest van de stroomkring
Constructie
 p-type en n-type met elkaar in contact brengen:



in het contactgebied ontstaat een concentratieverschil
aan vrije ladingen
er treedt diffusie op:
 vrije elektronen diffunderen vanuit het n-gebied naar het
p-gebied, recombineren daar met de pos. gaten
 het p-gebied wordt negatief geladen
 gaten diffunderen vanuit het p-gebied naar het ngebied, recombineren daar met vrije e het n-gebied wordt positief geladen
Deze zone word de grenslaag/depletielaag genoemd
Constructie



n-gebied in die contactzone bevat nog enkel positieve
roosterionen
p-gebied in die contactzone bevat nog enkel negatieve
roosterionen
Zo ontstaat een elektrisch veld en diffusiespanning over
die laag die verdere diffusie bemoeilijkt
Hoofdstuk 7
Elektrische structuur van de
halfgeleider
7.7. De diode in sper en in doorlaat
Aansluiting in sperzin
 n-type HG verbinden met de + pool van de bron
p-type HG verbinden met de - pool van de bron
 vrije e- vanuit – pool vulen gaten in het p-gebied op
+ pool trekt vrije elektronen uit het n-gebied aan
 depletielaag wordt breder
 e- afkomstig van de - pool worden door de - roosterionen
van de p-zone afgestoten  geen stroom door de diode
 Opm: er is wel een zekere reststroom, afkomstig van de
intrinsieke geleiding
Aansluiting in doorlaatzin
 p-type HG verbinden met de + pool van de bron
n-type HG verbinden met de - pool van de bron
 vanuit - pool vertrekken vrije elektronen naar het n-gebied
en zo naar de depletielaag
+ pool onttrekt vrije elektronen uit het P-gebied en zo
ontstaan er daar gaten
 depletielaag wordt smaller  er loopt stroom
Hoofdstuk 7
Elektrische structuur van de
halfgeleider
7.8. De LED
Tot slot nog enkele getallen
 Concentratie vreemde atomen in een extrinsieke
halfgeleider is van de grootte-orde 10²² per m³
dwz 1 vreemd atoom op 106 Ge- of Si-atomen
 breedte van een depletielaag is van de grootte-orde 10-6 m
 weerstand van een diode in doorlaatzin
=  enkele 10-tallen 
 weerstand van een diode in sperzin
=  enkele 106 